大學(xué)生方程賽車(chē)輪轂中央螺母鎖止設(shè)計(jì)

毛張哲，吳健民，熊乘風(fēng)

（武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430064）

自2010 年以來(lái)，大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽從首屆舉辦到現(xiàn)在已經(jīng)有了12 年的歷史。在大學(xué)生方程式賽車(chē)設(shè)計(jì)中，盡可能減小簧下質(zhì)量對(duì)于一輛汽車(chē)的穩(wěn)定性及操控性有重大意義。而對(duì)總質(zhì)量?jī)H240 kg 左右的賽車(chē)來(lái)說(shuō)，每千克的輕量化都至關(guān)重要，特別是簧下旋轉(zhuǎn)部件輪轂輪輞的輕量化，對(duì)賽車(chē)的操控性提升有著巨大的意義。

傳統(tǒng)賽車(chē)多采用4 根或5 根輪轂螺栓固定，目前參與FSC 賽事的大多數(shù)車(chē)隊(duì)賽車(chē)的輪胎也仍采用這種固定方式[1]。各支車(chē)隊(duì)自己設(shè)計(jì)的鋁合金輪輞普遍存在質(zhì)量較大且性能過(guò)剩等問(wèn)題。

而外國(guó)車(chē)隊(duì)，為了減輕簧下質(zhì)量，已經(jīng)不滿足于中央鎖緊的設(shè)計(jì)，他們采用碳纖維輪輞，甚至運(yùn)用了無(wú)輪輻的設(shè)計(jì)。哈雷戴維森摩托車(chē)公司采用了無(wú)輪輻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以達(dá)到降低賽車(chē)簧下質(zhì)量的目的。當(dāng)前在世界大學(xué)生方程式比賽（FSAE）中，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)車(chē)隊(duì)（Fоrmulа Studеnt Tеаm Dеlft）和德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)車(chē)隊(duì)（TUFаst）也多次采用了無(wú)輪輻結(jié)構(gòu)。這一切措施都只是為了更輕的簧下質(zhì)量。因此，采用更輕的中央螺母鎖緊固定方式，是未來(lái)FSC賽事的趨勢(shì)，將會(huì)成為更多車(chē)隊(duì)的選擇。所以，如何設(shè)計(jì)出一套適合賽車(chē)的中央鎖止輪轂輪輞是非常重要的。

1 賽車(chē)輪輞選取

本賽季在輪轂的選擇上，選取了如圖1 所示的更加輕便的OZ 輪輞，將單個(gè)輪轂質(zhì)量從之前的3.85 kg減小到1.66 kg。輪輞使用的中央鎖緊的結(jié)構(gòu)連接。中央鎖緊的連接結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他輪轂的固定方式可以讓輪轂的固定基座的面積變小，更大程度地完成輕量化目標(biāo)。

圖1 OZ 輪輞

2 中央鎖緊模型建立

根據(jù)OZ 公司所提供的輪輞圖紙，可確定中央螺母軸向長(zhǎng)度為20.8 mm，根據(jù)配合面和輪芯配合部分可初步建立CATIA 模型。通過(guò)CATIA 軟件設(shè)計(jì)出來(lái)的鎖緊螺母模型圖如圖2 所示，外部采用圓環(huán)配合，內(nèi)部采用鏤空三角柱支撐，此處受力不大，螺紋盡頭使用打孔設(shè)計(jì)。在與輪芯配合時(shí)，通過(guò)插銷(xiāo)固定完成二次橫向鎖緊固定。此設(shè)計(jì)提高了安全性和穩(wěn)定性。

圖2 中央鎖緊螺母模型圖

3 螺紋鎖緊受力

考慮到上胎與卸胎的頻繁性，耐磨性是一項(xiàng)重要的參考指標(biāo)。根據(jù)收集的信息，采用單螺母鎖止的車(chē)輪一般是使用3～5 mm 的螺紋，細(xì)牙有利于鎖緊但不如粗牙耐磨。綜合考量，選用鋼制的螺母來(lái)保證強(qiáng)度，選用M3 的粗牙來(lái)保證頻繁的拆卸與安裝。

為配合輪輞形狀，設(shè)計(jì)時(shí)確定中央螺母的軸向長(zhǎng)度為20.8 mm，故有6 圈螺紋參與嚙合；中央螺母的材料為45 鋼，擠壓強(qiáng)度為355 MPа；選擇的螺紋為普通螺紋；軸向力近似為最大側(cè)向力1 907 N；螺紋的公稱直徑為73 mm，中徑為70.05 mm。代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得軸向力為側(cè)向力與預(yù)緊力距和制動(dòng)力矩對(duì)螺紋的壓緊力之和[2]。

其中K作為壓緊力系數(shù)，取0.21。

4 有限元分析鎖緊模型

將本模型CATIA 轉(zhuǎn)化為stр 格式，導(dǎo)入ANSYS軟件，使用Stаtiс Struсtruаl 模塊進(jìn)行靜力學(xué)分析。

4.1 網(wǎng)格劃分

首先通過(guò)mеsh 模塊對(duì)設(shè)計(jì)的中央鎖緊螺母模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3 所示。

圖3 鎖緊螺母網(wǎng)格模型

4.2 約束導(dǎo)入

在約束受力部分，與輪芯相配合部分支撐，在螺紋接觸部分加上最大側(cè)向力，用材料45 鋼，通過(guò)有限元材料參數(shù)表導(dǎo)入材料性能數(shù)據(jù)。

4.3 結(jié)果分析

在結(jié)果計(jì)算中，選擇了等效應(yīng)力、最大形變量、安全系數(shù)模塊進(jìn)行分析計(jì)算。再通過(guò)軟件分析得到以下結(jié)論。

等效應(yīng)力為5 0.5 3 9 M P а，最大形變量為0.002 442 5 mm，最小安全系數(shù)為11.278，完全符合賽車(chē)設(shè)計(jì)需求。分析等效應(yīng)力圖如圖4 所示，分析最大形變量圖如圖5 所示，分析最小安全系數(shù)圖如圖6所示。

圖4 分析等效應(yīng)力圖

圖5 分析最大形變量圖

圖6 控制臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 分析最小安全系數(shù)圖

5 實(shí)物加工、裝配、安裝

設(shè)計(jì)模型是理想化的分析，之后進(jìn)行實(shí)際分析，而在實(shí)際加工使用中，則需要解決更多的問(wèn)題，諸如是否能完美匹配尺寸、如何裝配安裝、如何保障維護(hù)工件能長(zhǎng)時(shí)間使用。

5.1 3D 打印模型匹配

為了降低成本，避免誤差，在加工前選擇先做出3D 打印模型進(jìn)行匹配矯正。中央螺母鎖緊螺母3D 打印模型如圖7 所示。

圖7 中央螺母鎖緊螺母3D 打印模型

5.2 螺母的裝配

在匹配過(guò)程中，同時(shí)也要考慮如何安裝和取下的問(wèn)題。為了方便安裝和拆卸，在設(shè)計(jì)中使用的是標(biāo)準(zhǔn)大小的粗牙螺紋，可以選擇標(biāo)準(zhǔn)套筒將其安裝和取下。在扭力扳手的選取上，則需根據(jù)其扭力選擇更大行程的扭力扳手。中央鎖緊螺母安裝套筒如圖8 所示。

圖8 中央鎖緊螺母安裝套筒

5.3 中央螺母的橫向鎖緊

在中央螺母被旋進(jìn)輪轂螺紋部分后，螺母后點(diǎn)的孔位與輪芯部分孔槽位對(duì)齊，通過(guò)對(duì)齊的孔位進(jìn)行插銷(xiāo)開(kāi)關(guān)。通過(guò)插銷(xiāo)進(jìn)行二次橫向固定，以保證安全性。

5.4 鎖止螺母表面處理

增強(qiáng)中央鎖止螺母表面的耐磨性和耐腐蝕性是一個(gè)重要的問(wèn)題，硬質(zhì)陽(yáng)極氧化則可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。這樣不僅可以保護(hù)金屬，也可以增強(qiáng)其使用壽命。

5.5 鎖止螺母的維護(hù)

在賽車(chē)加工、練習(xí)甚至參賽等場(chǎng)景中，都會(huì)多次反復(fù)安裝拆卸上下輪胎。無(wú)疑會(huì)對(duì)中央鎖緊螺母造成磨損。鎖止螺母和輪芯的配合，一方面是通過(guò)鎖緊過(guò)盈，另一方面通過(guò)鎖止銷(xiāo)插入鎖緊。在反復(fù)拆裝的過(guò)程中，難免會(huì)對(duì)螺紋產(chǎn)生破壞，出現(xiàn)如滑絲、燒結(jié)、卡死等問(wèn)題，所以可選擇銅膏代替鋁銀漿防咬合劑來(lái)維護(hù)螺母的安裝與拆卸。

6 結(jié)論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)與OZ 輪輞相配套的中央鎖緊螺母，保障賽車(chē)輪轂運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。使用了OZ 輪轂的賽車(chē)能極大地降低FSC 賽車(chē)的簧下質(zhì)量，為賽車(chē)的操控穩(wěn)定性作出了巨大的貢獻(xiàn)。

同時(shí)在設(shè)計(jì)中央鎖緊螺母時(shí)，以輪轂圖紙為基準(zhǔn)構(gòu)建中央鎖緊螺母模型，優(yōu)化掏空，通過(guò)ANSYS 分析軟件進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化，專(zhuān)注于輕量化簧下，追求當(dāng)下所提倡的工匠精神。